(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外枠部材と、
前記外枠部材の２点間で連接される両持梁部材と、
前記両持梁部材に連接される任意方向へ曲がる一つの片持梁部材と、を備え、
前記両持梁部材及び片持梁部材が一体に圧電セラミックス材を用いて形成され、
前記両持梁部材の厚さの略半分の領域であって、前記両持梁部材の幅方向の対称軸に対して、非対称である一つの位置に、互いに異なるパターンを有する電極層を、圧電セラミックス層を介して交互に積層し、同じパターンを有する隣り合う電極層を接続して、一対の電極部を形成し、前記電極層に挟まれた圧電セラミックス層は、前記電極層により積層方向に分極されたことを
特徴とする
圧電落下センサ。
【請求項２】
外枠部材と、
前記外枠部材の２点間で連接される両持梁部材と、
前記両持梁部材に連接されるあらゆる方向へ曲がる一つの片持梁部材と、を備え、
前記両持梁部材及び片持梁部材が一体に圧電セラミックス材を用いて形成され、
前記両持梁部材の厚さの略半分の領域であって、前記両持梁部材の幅方向の対称軸に対して、非対称である一つの位置に、互いに異なるパターンを有する電極層を、圧電セラミックス層を介して交互に積層し、同じパターンを有する隣り合う電極層を接続して、一対の電極部を形成し、前記電極層に挟まれた圧電セラミックス層は、前記電極層により積層方向に分極された
圧電落下センサを用いて、
前記圧電落下センサの出力電圧信号を全波整流するステップと、
前記全波整流された出力電圧信号に対して、適宜の閾値電圧を設定するステップと、
前記閾値電圧以上の信号が所定時間を超えた場合、落下を判定するステップと
を含むことを特徴とする落下検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力によって、圧電体がたわみ変形やねじれ変形する際に得られる圧電効果を利用し、例えば携帯機器等の落下を検出可能とした圧電落下センサ及び圧電落下センサを用いた落下検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電体を備えた圧電型加速度センサは、自動車や電子機器などの異常振動を検出したり、携帯型電子機器の落下や自動車等の移動体の衝突時の衝撃を検出したりするセンサとして広く採用されている。この圧電型加速度センサに加速度が作用したときには、ニュートンの運動方程式により算出される慣性力によって圧電体が変形し、電圧が生じる。この電圧の大きさから、加速度の大きさを検出できる。このような、圧電型加速度センサを組み込んだ小型の電子機器には、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk drive）を内蔵した電子機器がある。
【０００３】
ハードディスクドライブを内蔵した電子機器に搭載される圧電型加速度センサは、電子機器の落下を検出する落下センサとして用いられている。電子機器が落下すると、落下センサにかかる加速度により、電子機器が落下したことを検出する。そして、電子機器が床面に衝突する前にハードディスクドライブの磁気ヘッドを記録媒体面から退避させることができる。このため、ハードディスクドライブの記録内容や電子機器の破損を防ぐことができる。ただし、電子機器に各種デバイスを搭載できる空間は限られており、落下センサの小型化・高性能化が要求されている。
【０００４】
ここで、最も一般的な圧電型加速度センサであるバイモルフ両持梁構造加速度センサの構成例について、図１５を参照して説明する。図１５は、バイモルフ両持梁構造加速度センサ１００の構成例を示す斜視図である。
バイモルフ両持梁構造加速度センサ１００は、厚さ方向に分極された２枚の圧電板１０１，１０２で構成される。外部からの圧力により電圧を生じる圧電板１０１，１０２は、それぞれ両面に電極が形成され、分極の向きが対向して接合されることでバイモルフ素子１０５として構成される。バイモルフ素子１０５の両端部は、固定台１０３，１０４に接合される。圧電板１０１，１０２の電極面からは図示しないリード線が引き出され、外部接続用端子を有するケース（不図示）に装着される。
【０００５】
バイモルフ素子１０５の電極面に垂直な方向の加速度が印加されると、バイモルフ素子１０５はたわむように変形する。例えば、圧電板１０１の中央部が伸びるようにたわみ変形すると、圧電板１０２の中央部は縮むようにたわみ変形する。圧電板１０１，１０２は、分極の向きが逆向きに接合されているので、圧電板１０１，１０２に生じた電圧は足し合わされる。足し合わされた電圧は、それぞれ接合されていない側の電極間に生じる。たわみ変形の量は、印加される加速度に比例し、出力電圧はたわみ変形の量に比例する。つまり、出力電圧は印加された加速度に比例することになり、バイモルフ両持梁構造加速度センサ１００は加速度センサとして動作する。
【０００６】
次に、別の構造の圧電型加速度センサである圧電バルク型加速度センサ１１０の構成例について、図１６の断面図を参照して説明する。
圧電バルク型加速度センサ１１０は、厚さ方向に分極された圧電リング１１１，１１２で構成される。圧電リング１１１，１１２の両面には電極が形成され、分極の向きが対向するように重ねられる。重ねられた圧電リング１１１，１１２は、おもり１１３が介された状態で固定ネジ１１４により、金属製のセンサボディ１１５に締め付け固定される。圧電リング１１１，１１２の電極面の一方はセンサボディ１１５とおもり１１３が接触しているため、センサボディ１１５がアース端子となる。２つの圧電リングの接合面には電極板１１６が挟み込まれ、この電極板１１６から出力端子１１７へリード線が引き出されている。固定ネジ１１４は、印加された加速度の向きにより、おもり１１３が圧電リング１１１から離れるような力が生じた場合でも、おもり１１３が離れないようにする与圧を加えるために使用されている。
【０００７】
圧電バルク型加速度センサ１１０に対して、固定ネジ１１４の軸方向の加速度が印加されると、おもり１１３と固定ネジ１１４の質量に対する慣性力が圧電リング１１１，１１２に作用する。圧電リング１１１，１１２に力が加わると、圧電リング１１１，１１２に形成された対向電極間に圧電効果による電圧が生じる。圧電リング１１１，１１２のそれぞれ他方の電極は、金属製のおもり１１３と固定ネジ１１４とセンサボディ１１５を通して電気的に短絡されているため、電気回路的に２個の圧電素子が並列に接続された形で出力電圧を生じる。
圧電リング１１１，１１２に生じる圧縮歪みの量は、印加された加速度に比例し、出力電圧は圧縮歪みの量に比例する。このため、出力電圧は印加された加速度に比例することになり、圧電バルク型加速度センサ１１０は、加速度センサとして動作する。
【０００８】
ところで、図１５と図１６を参照して、圧電型加速度センサの出力電圧が加速度に比例すると説明してきたが、出力電圧が印加された加速度に比例するためには一定の条件が必要である。つまり、圧電型加速度センサに対して、加速度が周期的に変化する交流的な加速度が印加された場合には、印加された加速度の大きさと出力電圧は比例して、加速度センサとして動作する。しかし、重力加速度のように、加速度の大きさが時間に対して一定の場合は、加速度の変化により生じた電荷が、圧電素子の内部と検出回路の入力抵抗を介して放電されてしまう。このため、等速運動（加速度ゼロ）、あるいは等加速度運動（加速度一定）の場合はもちろん、加速度の変化の周波数成分が低い場合には、加速度を正しく検出することができない。
【０００９】
ここで、従来の落下センサの例として、ピエゾ抵抗方式によりＸ，Ｙ，Ｚ３軸の加速度を検出することが可能なＭＥＭＳ型落下センサ１２０（以下、単に落下センサ１２０と称する。）を取り上げて説明する。
特許文献１には、半導体マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systemsの略語。以下、単にＭＥＭＳ技術あるいはＭＥＭＳ型という。）を利用するＭＥＭＳ型３軸加速度センサで構成される落下センサ１２０が開示されている。
【００１０】
特許文献１には図示されていないが、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される落下センサ１２０の構成例について、図１７を参照して説明する。
図１７（ａ）は、落下センサ１２０の外観構成例を示す概略斜視図である。
落下センサ１２０は、閉じた枠形状の外枠部材１２１と、外枠部材１２１の中心に位置する重り部１２２と、外枠部材１２１の四辺に接続された梁であって、重り部１２２を支える第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄとで構成される。
外枠部材１２１と重り部１２２は同じ厚みである。一方、第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄは、外枠部材１２１と重り部１２２に対して厚みが少ない。
【００１１】
図１７（ｂ）は、落下センサ１２０の加速度検出用電極の例を示す。
落下センサ１２０は、シリコン等を主材としており、外枠部材１２１と、第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄと、重り部１２２とが一体的に形成された筐体を有する。第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄ上にはそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出するために、複数のピエゾ抵抗と検出用電極が形成されている。
【００１２】
第１の梁部材１２３ａには、第３のＸ軸抵抗１２４ＲＸ３と第４のＸ軸抵抗１２４ＲＸ４と、第３のＺ軸抵抗１２４ＲＺ３と第４のＺ軸抵抗１２４ＲＺ４がそれぞれ接続される。
第２の梁部材１２３ｂには、第３のＹ軸抵抗１２４ＲＹ３と第４のＹ軸抵抗１２４ＲＹ４が接続される。
第３の梁部材１２３ｃには、第１のＸ軸抵抗１２４ＲＸ１と第２のＸ軸抵抗１２４ＲＸ２と、第１のＺ軸抵抗１２４ＲＺ１と第２のＺ軸抵抗１２４ＲＺ２がそれぞれ接続される。
第４の梁部材１２３ｄには、第１のＹ軸抵抗１２４ＲＹ１と第２のＹ軸抵抗１２４ＲＹ２が接続される。
第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄの各抵抗により変化した電圧は、第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄ上に形成された導体パターンを介してＸ，Ｙ，Ｚ軸検出回路に供給される。
【００１３】
図１７（ｃ）は、Ｘ軸方向の加速度を検出する加速度検出回路１２５ｘの構成例を示す。加速度検出回路１２５は、第１のＸ軸抵抗１２４ＲＸ１と、第２のＸ軸抵抗１２４ＲＸ２と、第３のＸ軸抵抗１２４ＲＸ３と、第４のＸ軸抵抗１２４ＲＸ４とで構成される。
図１７（ｄ）は、Ｙ軸方向の加速度を検出する加速度検出回路１２５ｙの構成例を示す。加速度検出回路１２５は、第１のＹ軸抵抗１２４ＲＹ１と、第２のＹ軸抵抗１２４ＲＹ２と、第３のＹ軸抵抗１２４ＲＹ３と、第４のＹ軸抵抗１２４ＲＹ４とで構成される。
図１７（ｅ）は、Ｚ軸方向の加速度を検出する加速度検出回路１２５ｚの構成例を示す。加速度検出回路１２５は、第１のＺ軸抵抗１２４ＲＺ１と、第２のＺ軸抵抗１２４ＲＺ２と、第３のＺ軸抵抗１２４ＲＺ３と、第４のＺ軸抵抗１２４ＲＺ４とで構成される。
【００１４】
このような構成によって、落下センサ１２０に加速度が印加されると、慣性力が作用して重り部１２２に変位が生じ、第１の梁部材１２３ａ〜第４の１２３ｄもたわみ変形する。この結果、ピエゾ抵抗から生じる落下検出信号を、図１７（ｃ）〜図１７（ｅ）に示す回路によって検出することができる。
【００１５】
落下センサ１２０は、電子機器がどのような角度で保持されていても、電子機器に常に加わる重力加速度を検出することができる。重力加速度を検出するため、それぞれの検出軸には電子機器が保持されている角度に応じて、重力加速度の各成分が検出される。Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸の二乗和の平方根は、常に重力加速度（１Ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）に対応した大きさの電圧になっている。
【００１６】
自由落下時には、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸の加速度が全てゼロになる。このため、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸の二乗和の平方根（以下、落下検出信号と称する。）もゼロとなる。したがって、この落下検出信号の値がゼロ近傍の所定の値以下となる時間の長さを測ることによって、電子機器の自由落下を判断することができる。
【００１７】
電子機器の自由落下は、電子機器に印加されていた重力加速度がゼロとなることで検出できるが、振動が加わった場合にも検出される加速度がゼロとなり得る。このため、特許文献１には、加速度がゼロとなる時間の長さを測定することで自由落下を検出する方法が示されている。この方法では、落下開始から約２５ｃｍ落下するのに要する時間が約２００ミリ秒であることから、加速度がゼロあるいはゼロ近くの値になる時間が２００ミリ秒程度継続した場合を「落下した」と判断している。
【００１８】
したがって、電子機器を手で持って揺らしたときや、ポケットに入れて歩いたり走ったりして振動が加わるときには、落下センサの出力電圧は振動的になる。このため、出力電圧の値がゼロ近傍の所定の値以下になっても、その継続時間が短いために自由落下ではなく、振動であると判断できる。
【００１９】
ここで、落下検出信号の波形の例について、図１８を参照して説明する。
図１８は、電子機器が落下した場合と、外部から電子機器に振動が加わった場合に生じる出力電圧の波形を模擬的に示したものである。電子機器には、１軸検出型の圧電型加速度センサが搭載されており、この圧電型加速度センサの検出軸は重力の方向に合わせてある。
図１８の横軸は時間であり、縦軸は圧電型加速度センサの出力電圧を示す。縦軸の目盛りの数字は、重力加速度１Ｇが一目盛りに対応している。また、時間ゼロで、電子機器は安定な状態で停止していると仮定している。
【００２０】
図１８において、電子機器が落下した場合の波形を曲線１３１とする。同様に、外部から振動が加わった場合における周期と振幅が異なる波形を曲線１３２，１３３，１３４とする。そして、重力加速度がマイナス１Ｇ近傍における閾値電圧を、閾値電圧１３５，１３６とする。重力加速度がマイナス１Ｇの状態では、圧電型加速度センサに対していかなる加速度もかからない状態となる。
【００２１】
曲線１３１から分かるように、電子機器が自由落下した場合、出力電圧は、０からマイナス１に変化して、一定の値を示す。ただし、圧電型加速度センサは、検出回路を含めた時定数が十分に大きいため、図１８に示した時間の範囲では、出力電圧の減少はほとんどない。
曲線１３１の波形の変化に対して、曲線１３２，１３３，１３４の波形は、外部から加えられる振動に対する出力電圧はゼロを中心に大きく変化（振幅）している。
【００２２】
つまり、圧電型加速度センサで自由落下を検出する場合は、曲線１３１に示したように、出力電圧が閾値電圧１３５，１３６で定めた基準電圧の範囲内にある時間が、例えば２００ミリ秒を越えたときを「落下した」と判断している。
【特許文献１】特開２０００−２４１４４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
ところで、図１５と図１６に示した圧電型加速度センサは、基本的に１つのセンサで１軸の加速度しか検出できない。全方位においても落下を検出するためには、同様の圧電型加速度センサが複数個必要となる。この結果、圧電型加速度センサを格納する電子機器が大型になるという問題がある。
また、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸における加速度を個別に検出し、３軸の二乗和の平方根を計算して落下検出信号とすることは、回路が複雑になるばかりか、調整に手間が掛かるなどの問題がある。
【００２４】
また、図１７に示したＭＥＭＳ型の落下センサ１２０は、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸の加速度成分を分離して検出した上で、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸の二乗和の平方根を計算して落下検出信号としている。このため、上述した圧電型加速度センサと同様、検出回路が複雑になり、調整に手間が掛かるなどの問題がある。
【００２５】
また、落下センサ１２０は、電子機器が回転しながら落下する場合に、回転に伴って生じる遠心力をも検出してしまう。このため、回転運動をともなう自由落下時には、落下検出信号がゼロにならない場合がある。この結果、落下検出の精度を損なうという問題があり、電子機器の回転を検出するために別のセンサを必要とする場合がある。
【００２６】
一般的に、ＭＥＭＳ型落下センサの製造時には、半導体製造プロセスが用いられるため、設備投資が大掛かりになるが、同じ製品を多量に生産する場合には有利である。しかしながら、ＭＥＭＳ型落下センサの場合、仕様を変更するための細かい対応が難しい。例えば、落下センサ１２０は、シリコン等を主材とするため、積層プロセスで形成することが困難である。
【００２７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、簡素な構造でありながら小形化が容易で、回転運動をともなった電子機器の落下検出も可能な圧電型落下センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明は、外枠部材と、外枠部材の２点間で連接される両持梁部材と、両持梁部材に連接される任意方向へ曲がる一つの片持梁部材と、備え、両持梁部材及び片持梁部材が一体に圧電セラミックス材を用いて形成され、両持梁部材の厚さの略半分の領域であって、両持梁部材の幅方向の対称軸に対して、非対称である一つの位置に、互いに異なるパターンを有する電極層を、圧電セラミックス層を介して交互に積層し、同じパターンを有する隣り合う電極層を接続して、一対の電極部を形成し、電極層に挟まれた圧電セラミックス層は、電極層により積層方向に分極されたことを特徴とする圧電落下センサである。
また、本発明は、この圧電落下センサを用いて圧電落下センサの出力電圧信号を全波整流するステップと、全波整流された出力電圧信号に対して、適宜の閾値電圧を設定するステップと、閾値電圧以上の信号が所定時間を超えた場合、落下を判定するステップとを含む落下検出方法としたものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の圧電落下センサは、外枠部材と、加速度を検出する部位である両持梁部材、任意方向へ曲がる一つの片持梁部材とが、圧電セラミックス材を用いて一体的に形成され、両持梁部材の厚さの略半分の領域であって、両持梁部材の幅方向の対称軸に対して、非対称である一つの位置に、互いに異なるパターンを有する電極層を、圧電セラミックス層を介して交互に積層し、同じパターンを有する隣り合う電極層を接続して、一対の電極部を形成し、電極層に挟まれた圧電セラミックス層は、電極層により積層方向に分極されており、いわゆるモノモルフ型の構造としてある。このため、圧電落下センサの構造を非常に簡素とすることができ、素子設計の簡素化、素子の小型化、コストの低減等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施の形態例について、図１〜図１３を参照して説明する。
本実施の形態例では、圧電型加速度センサの一例として、圧電セラミックス材によって一体的に形成され、いわゆるモノモルフ型の構造とした圧電落下センサ１に適用した例として説明する。この圧電落下センサ１は、主に携帯型電子機器に搭載され、携帯型電子機器の落下を検出するために用いられる。
【００３１】
まず、本発明の圧電落下センサの外観構成例について、図１の斜視図を参照して説明する。圧電落下センサ１の実装面は、Ｘ−Ｙ面に相当する。圧電落下センサ１の外枠に相当する外枠部材２は、「枠」状に形成され、さらに望ましくは「閉じた枠」状として矩形状（本例では、正方形）に形成される。外枠部材２は、落下にともなう加速度を検出するためではなく、外枠部材２の内部に形成される両持梁部材４を保持する部材である。
【００３２】
両持梁部材４は、外枠部材２の対向する２辺における任意の２点間を連接する直線状の部材である。両持梁部材４には、片持梁部材３の一端が両持梁部材４に直交した状態で連接される。なお、片持梁部材３は、両持梁部材４に対して直交した状態で連接されていなくても、本発明から得られる機能、効果を損なうことはない。
【００３３】
両持梁部材４の適切な位置には、携帯型電子機器の落下により生じる加速度を検出するための検出電極部５が形成される。検出電極部５の詳細な構成例は後述する。検出電極部５からは、導体パターンが引き出されており、外枠部材２の枠上に形成された外部接続端子６ａ，６ｂに接続されている。
【００３４】
図２は、圧電落下センサ１の両持梁部材４に形成される検出電極部５の拡大図である。
図２（ａ）は、検出電極部５を拡大視した例を示す斜視図である。
検出電極部５は、両持梁部材４の略半分の厚さの領域であって、さらに両持梁部材４の幅方向（Ｙ軸方向）に非対称な位置に形成されている。
なお、検出電極部５の形成位置や面積、形状や寸法等の最適条件は、使用する圧電セラミックスの特性や圧電落下センサ１の各部の寸法を基に、有限要素法などの解析手法を活用して求められる。また、この最適条件は、落下により生じる加速度が任意の方向に加わったときに、できるだけ一定の大きさの出力電圧が得られる範囲で決定されるため、本実施の形態に限定されない。
【００３５】
検出電極部５は、圧電セラミックス層１４と異なる形状の電極層１２，１３が交互に積層されて形成される。
積層された電極層１２は、接続電極１５ｂにより表面電極１１ｂに接続される。
積層された電極層１３は、接続電極１５ａにより表面電極１１ａに接続される。
そして、両持梁部材４の表面に形成された導体パターンにより、表面電極１１ａは外部接続端子６ａに接続される。同様に、表面電極１１ａは外部接続端子６ｂに接続される。
以下の説明では、表面電極１１ａと接続電極１５ａ、表面電極１１ｂと接続電極１５ｂを、電極部とも称する。検出電極部５には、一対の電極部が形成される。
【００３６】
外部接続端子６ａ，６ｂの間に直流高電圧が印加されると、電極層１２，１３に挟まれた圧電セラミックス層１４は、積層方向（Ｚ方向）に分極される。このような電極構成を採用する理由は、圧電落下センサ１の静電容量Ｃと負荷抵抗Ｒの積で与えられる時定数ＣＲの値を大きくするためである。
【００３７】
図２（ｂ）は、積層された電極層のパターンの例を示す斜視図である。
電極層１２には、表面に露出する露出電極部１６が同じ位置に形成される。同様に、電極層１３には、表面に露出する露出電極部１７が同じ位置に形成される。ただし、露出電極部１６，１７は互いに異なる位置である。
後述する圧電セラミックス層と電極層の積層工程と焼結工程が終了した後に、露出電極部１６は、接続電極１５ｂを介して電気的に接続される。同様に、露出電極部１７は、接続電極１５ａを介して電気的に接続される。この結果、検出電極部５は、接続電極１５ａ，１５ｂを有する２端子構造となる。
【００３８】
次に、圧電落下センサ１の主構成部材である外枠部材２，両持梁部材４，片持梁部材３と電極層１２，１３の製造プロセスの例について、図３を参照して説明する。
本実施の形態に係る圧電落下センサ１は、積層セラミックコンデンサや積層チップコイル等の製造プロセスとして量産実績が高い積層プロセスを適用することが可能である。
【００３９】
この積層プロセスには、一般的に、スクリーン印刷工法、または、シート積層工法が代表的な工法として採用される。
スクリーン印刷工法は、圧電セラミックス粉体や導体粉を樹脂，溶剤と混錬したペーストを作成し、メタルマスクを用いて位置精度良く塗工する工法である。
シート積層工法は、予め所望の形状に加工された圧電セラミックスシートや電極シート（この場合、圧電セラミックスシート上に電極パターンをスクリーン印刷することによって製造する方法が一般的である。）を、位置精度良く貼り合わせる工法である。
なお、圧電落下センサ１と同様の形態になるならば、本例の積層プロセスを適用するだけでなく、いかなる工法を用いて製造してもよい。
【００４０】
以下、スクリーン印刷工法を例とした積層プロセスについて詳細に説明する。
（第１の工程）
図３（ａ）は、圧電セラミックス層１４が印刷された状態の例である。まず、所望の厚み寸法となるまで、圧電セラミックス層１４を繰り返し印刷する。このとき、寸法の目安としては、完成した圧電落下センサ１の高さ寸法の半分程度までとすればよい。
（第２の工程）
図３（ｂ）は、電極層１３が印刷された状態の例である。所望の厚みとなるまで電極層１３を印刷する。
（第３の工程）
図３（ｃ）は、圧電セラミックス層１４が印刷された状態の例である。第２の工程で形成した電極層を覆うように、圧電セラミックス層１４を印刷する。印刷した圧電セラミックス層１４は、電極間の絶縁層としても機能する。
【００４１】
（第４の工程）
図３（ｄ）は、電極層１２が印刷された状態の例である。所望の厚みとなるまで電極層１２を印刷する。
（第５の工程）
図３（ｅ）は、圧電セラミックス層１４が印刷された状態の例である。第４の工程で形成した電極層を覆うように、圧電セラミックス層１４を印刷する。
（第６の工程）
図３（ｆ）は、圧電セラミックス層１４が印刷された状態の例である。最終工程として、圧電落下センサ１の最終的な厚み寸法と一致するまで、圧電セラミックス層１４を繰り返し印刷する。
以上の積層プロセスを経て、検出電極部５を有する圧電落下センサ１の筐体の製造が完了する。このように、検出電極部５は、互いに異なるパターンを有する電極層１２，１３を、圧電セラミックス層１４を介して交互に積層して得られる。一対以上の電極層１２，１３の組を積層する場合は、第２の工程〜第５の工程を必要な回数繰り返せばよい。
その後、同じパターンを有する隣り合う電極層１２，１３を接続して、一対の電極部を備えた検出電極部５を形成する。
【００４２】
図３に示した製造プロセスによって得られる圧電落下センサ１は、焼結が完了していない生状態である。このため、所望の温度環境下で焼結する焼結工程を行う。焼結工程を経た後、外部接続端子６ａ，６ｂを形成し、この外部接続端子６ａ，６ｂ間に直流高電圧を印加する。この結果、電極層１２，１３に挟まれた圧電セラミックス層１４は、積層方向（Ｚ方向）に分極される。
【００４３】
次に、検出電極部５を、両持梁部材４の略半分の厚さの領域とし、さらに両持梁部材４の幅方向（Ｙ軸方向）に非対称な位置に形成する理由について、図４を参照して説明する。図４は、３種類の圧電セラミック板について、長さ方向の断面図の例を示す概略図である。それぞれの圧電セラミック板の両面には電極３１，３２が形成される。圧電セラミック板の中央付近は、外力Ｆ１を加えることによって、たわみ歪みを生じさせた状態としている。
図４（ａ）は、厚さ方向（＋Ｚ軸方向）に一様に分極された圧電セラミック板３０の例である。
図４（ｂ）は、厚さの上下半分の領域が互いに逆向き方向（±Ｚ軸方向）に分極された圧電セラミック板３４の例である。
図４（ｃ）は、厚さの下半分の領域だけが厚さ方向（＋Ｚ軸方向）に分極された圧電セラミック板３５の例である。
【００４４】
図４（ａ）に示す圧電セラミック板３０は、外力Ｆ１が加えられることによって、圧電セラミック板３０の厚さの上半分の領域３０ａには縮み歪みが生じる。厚さの下半分の領域３０ｂには伸び歪みが生じる。その結果、厚さの上半分の領域３０ａに“−”の電荷が生じ、厚さの下半分の領域３０ｂには“＋”の電荷が生じる。ところで、“＋”と“−”の電荷は互いに打ち消し合うため、電極３１，３２の間に電圧は生じない。つまり、圧電セラミック板３０が一様に分極されていると、圧電セラミック板３０を曲げても電圧は生じないことが分かる。
【００４５】
図４（ｂ）に示す圧電セラミック板３４は、厚さ方向の上半分の領域である圧電セラミック板３４ａと、厚さ方向の下半分の領域である圧電セラミック板３４ｂで構成される。
圧電セラミック板３４に外力Ｆ１が加えられることによって、圧電セラミック板３４ａには縮み歪みが生じ、圧電セラミック板３４ｂには、伸び歪みが生じる。
【００４６】
圧電セラミック板３４ａ，３４ｂの分極の向きは、互いに逆向きである。このため、圧電セラミック板３４ａに生じた“＋”の電荷と、圧電セラミック板３４ｂに生じた“＋”の電荷が足し合わされ、電極３１，３２の間には電圧が生じる。このような圧電セラミック板３４の構造は、バイモルフ構造と言われる。
図４（ｂ）において、中心面３３は、圧電セラミック板３４ａ，３４ｂの貼合わせ面である。中心面３３には、電極が形成されていてもいなくてもどちらでもよい。
【００４７】
図４（ｃ）に示す圧電セラミック板３５は、厚さ方向の上半分の領域である圧電セラミック板３５ａと、厚さ方向の下半分の領域である圧電セラミック板３５ｂで構成される。ただし、圧電セラミック板３５ｂは分極されているが、圧電セラミック板３５ａは分極されていない。したがって、圧電セラミック板３５ｂに生じた“＋”電荷だけにより、圧電セラミック板３５の電極３１，３２の間に電圧が生じる。このような圧電セラミック板３５の構造は、ユニモルフ構造と言われる。圧電セラミック板をユニモルフ構造とする場合、厚さ方向の上半分の領域を金属などの別の材料で構成することも可能である。
【００４８】
以上の説明から明らかなように、一様に分極されている圧電セラミック板にたわみ歪みが生じても電圧は生じない。このため、生じた歪みの極性（圧縮歪み又は伸び歪み）により、分極の極性を逆極性とするか、片方の歪みに対応した領域だけを一様に分極する必要がある。
【００４９】
さらに、圧電落下センサ１に検出電極部を形成するための位置や形状，寸法は、落下にともない生じる歪みの分布に合わせて形成する必要がある。その結果、検出電極部５を、両持梁部材４の略半分の厚さの領域で、さらに両持梁部材４の幅方向に非対称な位置に形成することに格別の意味を有する。
【００５０】
以下、圧電落下センサ１の動作例について、図５を参照して説明する。
図５は、圧電落下センサ１において、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向の加速度が印加された場合に、両持梁部材４と片持梁部材３に生じる歪みの概略の様子を示している。図５では、伸び歪みを“＋”、縮み歪みを“−”で示している。
【００５１】
図５（ａ）は、Ｘ軸方向に加速度が加えられた場合における圧電落下センサ１の動作例を示す。この場合、片持梁部材３はＸ−Ｙ面内で、Ｘ軸方向に大きくたわむ。その結果、両持梁部材４に歪みが生じる。
【００５２】
図５（ｂ）は、Ｙ軸方向に加速度が加えられた場合における圧電落下センサ１の動作例を示す。この場合、片持梁部材３がＸ−Ｙ面内で、Ｙ軸方向に大きく移動するように変形し、両持梁部４が大きくたわむ。その結果、両持梁部材４に歪みが生じる。
【００５３】
図５（ｃ）は、Ｚ軸方向に加速度が加えられた場合における圧電落下センサ１の動作例を示す。この場合、片持梁部材３がＸ−Ｚ面内で、Ｚ軸方向に大きくたわみ、両持梁部材４がねじれるように変形する。その結果、両持梁部材４に歪みが生じる。
【００５４】
これまでに説明したように、任意の方向の加速度が圧電落下センサ１に加わった場合、言い換えると、圧電落下センサ１が搭載された電子機器がいかなる向きで落下した場合であっても、両持梁部材４に歪みが生じ、電圧が生じる。このため、出力電圧を検出することにより、電子機器の落下を求めることができる。
このとき、出力電圧の大きさは、できるだけ任意の方向の感度が等しくなるように設計される必要がある。
【００５５】
ここで、本発明に係る圧電落下センサ１に負荷抵抗Ｒを接続した場合における電気的な等価回路４０の構成例について、図６を参照して説明する。圧電落下センサ１は、電源Ｖ１とコンデンサＣの直列回路で表され、この直列回路から出力電圧を得るために負荷抵抗Ｒが接続される。負荷抵抗Ｒは、検出回路の入力インピーダンスと圧電落下センサ１自身の絶縁抵抗も含んでいる。このような構成の回路を等価回路４０と称する。
【００５６】
図７は、等価回路４０を用いて実験を行って得られたグラフである。
電源Ｖ１は、パルス幅０．２ミリ秒、周期１秒、電圧１Ｖの方形波パルスを出力する。このとき、圧電落下センサ１の静電容量Ｃを２００ｐＦで固定し、負荷抵抗Ｒを１００ＭΩから１００００ＭΩまで変化させた場合における端子電圧の計算結果より、以下の波形５１〜５５が描画される。
・波形５１は、負荷抵抗Ｒを１００ＭΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形５２は、負荷抵抗Ｒを３１６ＭΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形５３は、負荷抵抗Ｒを１０００ＭΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形５４は、負荷抵抗Ｒを３１６０ＭΩとした場合に描画される電圧波形である。
・波形５５は、負荷抵抗Ｒを１００００ＭΩとした場合に描画される電圧波形である。
【００５７】
印加電圧は印加された加速度に対応する。つまり、圧電落下センサ１に、方形波状の加速度が印加されたことを意味する。波形５１より、負荷抵抗Ｒの値が小さい場合（例えば、１００ＭΩ）、生じた電圧がすぐに減衰することが示される。一方、波形５５より、負荷抵抗Ｒの値が大きくなるほど（例えば、１００００ＭΩ）、印加電圧の方形波の形に近い出力電圧波形となることが示される。
【００５８】
つまり、加速度が印加されて生じた電圧を長時間保持させるためには、圧電落下センサ１の静電容量Ｃと負荷抵抗Ｒの積で与えられる時定数ＣＲの値を大きくする必要がある。言い換えれば、静電容量Ｃの大きな圧電落下センサ１を用いて、極端に高い入力インピーダンスの検出回路を用いれば、数Ｈｚ以下の低周波の加速度、すなわち振幅周波数の低い振動と、落下とを検出し、区別できることを意味する。しかしながら、負荷抵抗Ｒを高めると、形状が大型化するため小型の電子機器に備えることができない。このため、複数の電極層を積層し、静電容量Ｃを高めることで時定数ＣＲの値を大きくすることができる。
このように、一対以上の電極層１２で形成される検出電極部５を有し、静電容量Ｃを高めた圧電落下センサ１は、時定数を大きくするために好適な構成であるといえる。
【００５９】
次に、本発明に係る圧電落下センサ１を用いた電子機器の落下検出方法について説明する。
【００６０】
図８（ａ）は、圧電落下センサ１を任意の向きで落下させた場合における端子電圧の計算結果から以下の波形６１〜６４が描画される。ここで、圧電落下センサ１の実装面を「圧電落下センサ１の下面」、実装面の対面を「圧電落下センサ１の上面」と称している。また、落下方向は、重力加速度に沿う方向である。
・波形６１は、圧電落下センサ１の上面が落下方向に向いている場合に描画される電圧波形である。
・波形６２は、圧電落下センサ１の上面が落下方向に向かって約４５°傾いている場合に描画される電圧波形である。
・波形６３は、圧電落下センサ１の下面が落下方向に向かって約４５°傾いている場合に描画される電圧波形である。
・波形６４は、圧電落下センサ１の下面が落下方向に向いている場合に描画される電圧波形である。
【００６１】
図８（ａ）に示したように、圧電落下センサ１をそれぞれの角度で落下させると、落下開始直後に出力電圧が変化した後、すぐに一定の電圧を示す。また、落下開始直前に圧電落下センサ１に振動が加わっていても、すぐに一定の電圧を示す。落下開始直後の電圧の大きさは、直前の出力電圧の状態と圧電落下センサ１の重力方向に対する角度に依存して変化するが、前述したように、任意の方向の感度をできるだけ一定となるように設計することにより、出力電圧の大きさは±約１５％以内に抑えることができる。
【００６２】
図８（ｂ）に示す電圧波形６１′〜６４′は、図８（ａ）に示す電圧波形６１〜６４をそれぞれ全波整流して描画される波形である。図８（ｂ）から分かるように、落下直後の電圧の大きさは、いずれの角度で落下させた場合でもほぼ同じように変化する。
以下、交流電圧波形の正・負両波を整流し、波形の向きを同じ方向に揃えることを、全波整流という。
【００６３】
ここで、例えば、圧電落下センサ１に落下以外の振動などによる加速度が加わった場合には、出力電圧は振動的な波形になり、この電圧を全波整流した場合には、やはり、振動的な波形になる。
【００６４】
したがって、図８（ｂ）に示す全波整流した出力電圧（以下、全波整流出力電圧とも称する。）が、ほぼ一定の値となり継続している状態を「落下している」状態として判断できる。図示しない検出回路又は検出器では、予め特定の全波整流出力電圧範囲において閾値電圧を設定し、それぞれ閾値電圧６５ａ，６５ｂとする。閾値電圧６５ａは、閾値電圧の上限であるＶThreshold-Highの値を示し、閾値電圧６５ｂは、閾値電圧の下限であるＶThreshold-lowの値を示す。全波整流出力電圧が閾値電圧６５ａ，６５ｂのいずれかをまたいだ瞬間に落下検出処理を開始すれば、特定の時間が継続した場合に、電子機器が「落下している」ことを識別することができる。
【００６５】
ここで、圧電落下センサ１を用いた落下検出処理の例について、図９のフローチャートを参照して説明する。圧電落下センサ１が搭載された電子機器には、図示しない検出回路等により本実施形態の落下検出処理が行われ、電子機器の落下が判断されることになる。検出回路で行われる落下検出処理は、例えばマイクロコンピュータによるソフトウェア処理で代用してもよい。
【００６６】
検出回路は、圧電落下センサ１から出力される電圧信号を常に取得する（ステップＳ１）。そして、電圧信号を全波整流する（ステップＳ２）。
【００６７】
次に、検出回路は、全波整流出力電圧信号が閾値電圧６５ａ，６５ｂをまたぎ、かつ、閾値電圧６５ａ，６５ｂの範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ３）。
検出回路は、全波整流出力電圧信号が閾値電圧６５ａ，６５ｂの範囲内である場合、“Ｈｉｇｈ”レベルに符号化する（ステップＳ４）。一方、全波整流出力電圧信号が閾値電圧６５ａ，６５ｂの範囲外である場合、“Ｌｏｗ”レベルに符号化する（ステップＳ５）。
【００６８】
次に、検出回路は、“Ｈｉｇｈ”レベルが所定時間以上継続しているか否かを判断する（ステップＳ６）。
“Ｈｉｇｈ”レベルが所定時間以上継続している場合、「落下」と判断する（ステップＳ７）。“Ｈｉｇｈ”レベルが所定時間以上継続しない場合、「落下ではない」と判断する（ステップＳ８）。
このようにして、落下検出処理を簡素化しながら、確実に「落下」を判断することが可能となる。
【００６９】
次に、上述した落下検出処理を採用した場合における、本実施の形態に係る圧電落下センサ１と、従来のＭＥＭＳ型の落下センサ１２０との落下検出精度の差異について、図１０〜図１３を参照して説明する。図１０〜図１３の横軸は時間であり、縦軸は出力電圧を示す。縦軸の目盛りの数字は、重力加速度１Ｇが一目盛りに対応している。また、時間ゼロで、電子機器は安定な状態で停止していると仮定している。
【００７０】
この実験では、圧電落下センサ１と、落下センサ１２０のそれぞれに対して、以下に示す３種類の運動モードを与え、落下信号の検出を行なうことにした。
（１）自由落下運動
（２）１周期が２００ミリ秒である振幅運動
（３）１周期が４００ミリ秒である振幅運動
【００７１】
初めに、発明者は、表計算ソフトウェアを用いて試算することで、圧電落下センサ１の自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形を擬似的に再現し、その波形から自由落下を検出する方法を検討した。
この結果、「出力電圧信号を全波整流」し、「適当な閾値電圧を設定」することで自由落下の検出が可能となることが確認できた。
この試算において、センサ出力の時定数が大きいと仮定したことにより、自由落下を検出することができたことに基づいて、実デバイスにおいて、落下センサ１の容量値Ｃを上げ、検出回路（チャージアンプ）の抵抗値Ｒを大きくすることが課題となる。
【００７２】
また、比較のため従来のＭＥＭＳ型の落下センサ１２０の出力電圧信号波形についても、表計算ソフトウェアを用いて擬似波形による検証を行った。このとき、ＭＥＭＳ型の落下センサ１２０の特徴である０Ｖ以下がカットされる（マイナス出力は出ない）ことに起因した、低周波振動時に自由落下と判定してしまう（誤検出）可能性があることが判明した。
【００７３】
ここで、表計算ソフトウェア上で擬似的に再現した圧電落下センサ１の自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形の例について、図１０を参照して説明する。
【００７４】
図１０（ａ）は、圧電落下センサ１の自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形の例を示す。
波形７１，７３は、手に持って歩くなどの動作による周期振動によって生じる出力電圧信号波形である。波形７１の周期は、２００ミリ秒である。波形７３の周期は、４００ミリ秒である。
波形７２は、圧電落下センサ１が上向きに落下するときの出力電圧信号波形である。
なお、圧電落下センサ１の落下方向は、説明のために方向性（上向き）を示したが、実装時には、落下する方向は任意である。
【００７５】
図１０（ｂ）は、圧電落下センサ１の自由落下時と周期振動時の出力電圧信号を全波整流した波形の例を示す。図１０（ｂ）に示す電圧波形７１′，７２′，７３′は、図１０（ａ）に示す電圧波形７１，７２、７３をそれぞれ全波整流して描画される波形である。
【００７６】
次に、図１０に示した全波整流波形に対して、閾値電圧を基にして行う符号化の例について、図１１を参照して説明する。
図１１（ａ）は、図１０（ｂ）の波形を元にして、特定の全波整流電圧の電圧範囲を示す閾値電圧７４ａ，７４ｂを設定したグラフの例を示す。閾値電圧７４ａ，７４ｂは、図示しない検出回路又は検出器に予め設定される値であり、閾値電圧７４ａ，７４ｂの範囲内には、落下信号成分を含む。閾値電圧７４ａは、上限であるＶThreshold-Upperの値を示し、閾値電圧７４ｂは、下限であるＶThreshold-lowerの値を示す。
【００７７】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の波形を元にして、全波整流した電圧信号波形が閾値電圧７４ａ，７４ｂの範囲内にあるときを”Ｈｉｇｈ”、範囲外にあるときを”Ｌｏｗ”とする論理で符号化したタイミングチャートの例を示す。
【００７８】
図１１より、周期振動（周期２００ミリ秒）の波形７１′は、一定の周期（約５０ミリ秒）毎に、一定時間（約１０ミリ秒）だけ”Ｈｉｇｈ”レベルが維持された後、”Ｌｏｗ”レベルとなることが示される。
同様に、周期振動（周期４００ミリ秒）の波形７３′は、一定の周期（約２００ミリ秒）毎に、一定時間（約１０ミリ秒×２）だけ”Ｈｉｇｈ”レベルが維持された後、”Ｌｏｗ”レベルとなることが示される。
一方、自由落下の信号波形は、”Ｌｏｗ”レベルからすぐに”Ｈｉｇｈ”レベルに変化した後、”Ｈｉｇｈ”レベルが維持される。
【００７９】
この結果、周期振動の波形はパルス幅の短い信号となり、自由落下の信号は”Ｈｉｇｈ”レベルが維持されるため、”Ｈｉｇｈ”レベルの持続時間で自由落下を判定することが可能となる。
【００８０】
ところで、閾値電圧７４ａ，７４ｂの範囲内に収まる小さな振幅の周期振動は、符号化した結果、信号波形が”Ｈｉｇｈ”レベルに固定される。しかし、落下検出処理では、閾値電圧７４ａ，７４ｂをまたぐときに落下検出を開始するアルゴリズム（図９のフローチャートを参照）とする。この結果、小さな振幅の周期振動から導かれる全波整流波形は、閾値電圧７４ａ，７４ｂをまたがないため、「落下」と判定されることはない。
【００８１】
次に、従来のＭＥＭＳ型の落下センサ１２０の自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形の例について、図１２を参照して説明する。
【００８２】
従来の落下センサ１２０と圧電落下センサ１との大きな違いは、
（１）出力電圧のセンター値が電圧オフセットされていること（グラフでは１Ｖオフセットの状態を表示している。）
（２）出力は常に正であるため、周期振動などで負電圧領域に入るものはカットオフされること
（３）常に自身の向きを検出し、方向補正を行っていること
の３点が挙げられる。
【００８３】
波形８１，８３は、手に持って歩くなどの動作による周期振動によって生じる出力電圧信号波形である。波形８１の周期は、２００ミリ秒である。波形８３の周期は、４００ミリ秒である。
波形８２は、落下センサ１２０が上向きに落下するときの出力電圧信号波形である。
なお、落下センサ１２０の落下方向は、説明のために方向性（上向き）を示したが、製品への実装時には、落下する方向は任意である。
【００８４】
従来の落下センサ１２０は、静止状態であっても、重力によって重り部が歪むことで、常に電圧信号（例えば、＋１Ｖ）を出力している。そして、落下時には、重り部が元に戻ることにより、歪みがなくなり、電圧信号はゼロとなる。
【００８５】
次に、図１２に示した信号波形に対する、閾値電圧による符号化の例について、図１３を参照して説明する。
図１３（ａ）は、図１２に示した電圧信号を示しており、特定の電圧範囲を示す閾値電圧８４ａ，８４ｂを設定している。閾値電圧８４ａ，８４ｂは、図示しない検出回路又は検出器に予め設定される値であり、閾値電圧８４ａ，８４ｂの範囲内には、落下信号成分を含む。閾値電圧８４ａは、上限であるＶThreshold-Upperの値を示し、閾値電圧８４ｂは、下限であるＶThreshold-lowerの値を示す。
【００８６】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の波形を元にして、電圧信号波形が閾値電圧８４ａ，８４ｂの範囲内に信号があるときを”Ｈｉｇｈ”、範囲外にあるときを”Ｌｏｗ”とする論理で符号化したタイミングチャートの例を示す。
なお、図１２と図１３の経過時間軸は、図１０と図１１で示した圧電型落下センサ１の倍のスケールとなっている。
【００８７】
図１３より、圧電型の落下センサ１と同様に周期振動波形はパルス幅の短い信号として検出され、自由落下の信号は”Ｈｉｇｈ”レベルが維持されることが示される。このため、”Ｈｉｇｈ”レベルの持続時間で自由落下を判定することが可能となることが分かる。
また、周期振動の符号化において電圧オフセットの影響によるパルス幅に違いが生ずることが特徴である。
【００８８】
図１３（ｂ）より、周期振動（周期２００ミリ秒）の波形８１は、一定の周期（約２００ミリ秒）毎に、一定時間（約１００ミリ秒）だけ”Ｈｉｇｈ”レベルが維持された後、”Ｌｏｗ”レベルとなることが示される。
同様に、周期振動（周期４００ミリ秒）の波形８３は、一定の周期（約４００ミリ秒）で、一定時間（約２００ミリ秒）だけ”Ｈｉｇｈ”レベルが維持された後、”Ｌｏｗ”レベルとなることが示される。
一方、自由落下の信号波形は、”Ｌｏｗ”レベルからすぐに”Ｈｉｇｈ”レベルに変化した後、”Ｈｉｇｈ”レベルが維持される。
【００８９】
周期４００ミリ秒の波形８３において、周期振動などで負電圧領域に入る出力電圧は、長時間にわたり（例えば、２００ミリ秒弱）カットオフされる。このことから、符号化出力がこの時間内は”Ｈｉｇｈ”レベルとなる。
このような符号化は、「”Ｈｉｇｈ”レベルの維持時間で落下を判定する」ステップに対し、落下を誤検出する可能性があることを示している。つまり、周期振動であるにもかかわらず「落下」と検出することがある。
【００９０】
上述のように、発明者は、圧電落下センサ１の自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形を表計算ソフトウェアにて擬似的に再現し、その波形から自由落下を検出する方法を検討した。この検証結果より、「出力電圧信号の全波整流」と「閾値の設定」を用いた検出アルゴリズムを用いることで、自由落下を検出することが可能となることが確認できた。このような落下検出を行う回路は、アンプを数個組み合わせることで実現が可能である。
【００９１】
また、従来の落下センサ１２０（ＭＥＭＳ型加速度センサ）の出力電圧信号波形についても同様の検証を行った結果、負電圧をカットオフする特徴のため、低周波振動を自由落下と判定してしまう（誤検出）可能性があることが判明した。そのため従来の技術では、０Ｖ出力の持続時間や二乗和を用いるなどの手法をとっていると想定される。しかしながら、これらの判定手法では回路規模が大きくなることが想定され、コスト面で圧電落下センサ１に優位差があると考えられる。
【００９２】
以上説明した本発明の一実施の形態に係る圧電落下センサ１は、外枠部材２と、加速度を検出する部位である両持梁部材４と、片持梁部材３とが、圧電セラミックスによって一体的に形成されており、いわゆるモノモルフ型の構造としてある。このため、圧電落下センサ１の構造を非常に簡素とすることができる。
このため、素子設計の簡素化、素子の小型化、コストの低減等の効果が得られる。また、それぞれの梁部材は柱状に形成されていることから強度に優れており、高信頼性の圧電型加速度センサが得られるという構造上の利点がある。
【００９３】
また、圧電落下センサ１には、外枠部材２に両端が固定された両持梁部材４と、この両持梁部材４に少なくとも１個の片持梁部材３が直交するように形成されている。このため、圧電落下センサ１にいずれの方向の加速度が加わった場合でも両持梁部材４が変形する。
したがって、梁の設計を、任意の方向の加速度が印加された場合に両持梁部材４のどの部分の応力が大きくなるかを事前に把握し、その応力が大きくなる部分に落下検出用の電極を形成している。このことにより、任意の方向の加速度が印加された場合、すなわち、電子機器がどのような向きで落下した場合であっても、そのときの加速度を一対の電極端子により高感度で検出することができる。したがって、周辺回路としては、１軸分の回路だけで十分であり、従来のＭＥＭＳ型落下センサに比較して、感度の調整等が簡単になるという効果がある。
【００９４】
また、圧電落下センサ１では、検出電極を厚さ方向に電極層と圧電セラミックス層が積層された構造としている。このため、圧電落下センサ１の静電容量を大きくすることができる。結果、検出回路の入力インピーダンスによって定まる時定数を大きくすることが容易になる。このため、重力加速度のような直流的な加速度であっても、所定の時間の範囲で正確に検出することができる。
【００９５】
また、圧電落下センサ１は、圧電体の歪みによって電圧を生じることから、電子機器が回転しながら落下する場合においても、等速回転運動を行っている範囲では遠心力等の影響を受けることなく、純粋に電子機器の落下を検出することができる。このため、遠心力をも検知してしまう従来のＭＥＭＳ型センサと比較して、回転検出センサを別個に付加する必要がないという利点がある。
【００９６】
また、圧電落下センサ１は、検出電極部５を、両持梁部材４の略半分の厚さの領域で、さらに両持梁部材４の幅方向に非対称な位置に形成している。このように検出電極部５を形成することで、片持梁部材３と両持梁部材４がたわんだ際に発生する電荷は打ち消しあわず、偏りが生じるため、効率的に電荷を検出することができるという効果がある。
【００９７】
また、圧電型落下センサ１は、積層セラミックコンデンサや積層チップコイル等の製造プロセスとして量産実績が高い積層プロセスの適用が可能である。このため、ＭＥＭＳ型落下センサと比較して、設備費用が格段に安くなるという効果がある。また、客先からの要求仕様に対する対応性も向上するという利点がある。
【００９８】
また、圧電落下センサ１は、１対の外部接続端子が両持梁部材４に形成されているために、電極形成が容易であり、外部の電子機器との接続もまた容易になるという利点を有する。
【００９９】
また、圧電落下センサ１から得られる信号を全波整流する落下検出方法によれば、落下運動と、例えば１周期が２００ミリ秒以上となるような低周波の振幅運動（振動）とを確実に区別することが可能となる。このため、周期振動を落下と誤検出することがなく、落下検出の精度が高まるという効果がある。
【０１００】
なお、上述した実施の形態によれば、落下を検出することを主な目的としたが、検出する電圧の波形、閾値を変えることで回転、移動等を検出するようにしてもよい。
【０１０１】
また、上述した実施の形態によれば、圧電落下センサ１が検出可能な加速度として、落下にともなう加速度を例に挙げたが、他にも、モノの移動、接触、衝撃、自動車等の推進力にともなって生じる加速度も含まれる。
【０１０２】
また、上述した実施の形態によれば、圧電落下センサ１を構成する両持梁部材４に対して、１個の片持梁部材３を連接するようにしたが、用途に応じて両持梁部材に複数の片持梁部材を連接してもよい。
【０１０３】
また、圧電落下センサ１を構成する片持梁部材３と両持梁部材４に対して、外枠部材２の厚みを増すことで蓋部を取り付ける構成としてもよい。図１４は、蓋部９７を取り付けることが可能な圧電落下センサ９１の構成例を示す斜視図である。圧電落下センサ９１に蓋部９７を取り付けることで、実装した圧電落下センサ９１の内部にチリ、ホコリ等が混入する可能性が少なくなる。このため、チリ、ホコリ等の影響により、片持梁部材と両持梁部材のたわみが遮られることがない。また、チリ、ホコリ等の付着による検出電極部、片持梁部材３、両持梁部材４の劣化を抑制できるため、圧電落下センサ９１の品質を長期間保つことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の一実施の形態例に係る圧電落下センサの構成例を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態例に係る圧電落下センサの両持梁部材に形成された検出電極部の拡大図である。
【図３】本発明の一実施の形態例において、外枠部材，両持梁部材，片持梁部材と電極層の製造プロセスを説明するための図である。
【図４】本発明の一実施の形態例において、検出電極部を、両持梁部材の略半分の厚さの領域で、さらに両持梁部材の幅方向に非対称な位置に形成する理由を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施の形態例の圧電落下センサにおいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向の加速度が印加された場合に、両持梁部材とこれと連成された片持梁部材に生じる歪みの例を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態例において、圧電型加速度センサの負荷抵抗を含む電気的な等価回路の例を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態例において、負荷抵抗による出力電圧波形の変化の例を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態例において、圧電型落下センサを任意の向きで落下させた場合における出力電圧波形を模擬的に示す説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態例に係る圧電落下センサを用いて「落下」を検出する落下検出方法を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施の形態例に係る圧電落下センサの自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形の例を示す説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態例に係る圧電落下センサの自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形から導かれる閾値による符号化の例を示す説明図である。
【図１２】従来のＭＥＭＳ型落下センサの自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形の例を示す説明図である。
【図１３】従来のＭＥＭＳ型落下センサの自由落下時と周期振動時の出力電圧信号波形から導かれる閾値による符号化の例を示す説明図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態例に係る圧電落下センサの構成例を示す斜視図である。
【図１５】従来のバイモルフ両持梁構造加速度センサの構造を示す斜視図である。
【図１６】従来の圧電バルク型加速度センサの構成例を示す断面図である。
【図１７】従来のＭＥＭＳ型落下センサの構成例を示す説明図である。
【図１８】本発明の一実施の形態例において、１軸検出型の圧電型加速度センサを検出軸が重力の方向に合うように搭載した電子機器が落下した場合と、外部から振動が加わった場合の出力電圧波形を模擬的に示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…圧電落下センサ、２…外枠部材、３…片持梁部材、４…両持梁部材、５…検出電極部、６ａ，６ｂ…外部接続端子、１１ａ，１１ｂ…表面電極、１２，１３…電極層、１４…圧電セラミックス層、１５ａ，１５ｂ…接続電極、１６，１７…露出電極部、３０…圧電セラミック板、４０…等価回路、９１…圧電落下センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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